Visualizza i metadati EXIF per qualsiasi immagine JPM

Il formato immagine JPEG (Joint Photographic Experts Group), comunemente noto come JPG, è un metodo di compressione con perdita ampiamente utilizzato per le immagini digitali, in particolare per quelle prodotte dalla fotografia digitale. Il grado di compressione può essere regolato, consentendo un compromesso selezionabile tra dimensioni di archiviazione e qualità dell'immagine. JPEG in genere raggiunge una compressione 10:1 con una perdita di qualità dell'immagine poco percettibile.

La compressione JPEG viene utilizzata in numerosi formati di file immagine. JPEG/Exif è il formato immagine più comune utilizzato dalle fotocamere digitali e da altri dispositivi di acquisizione di immagini fotografiche; insieme a JPEG/JFIF, è il formato più comune per l'archiviazione e la trasmissione di immagini fotografiche sul World Wide Web. Queste varianti di formato spesso non vengono distinte e vengono semplicemente chiamate JPEG.

Il formato JPEG include una varietà di standard, tra cui JPEG/Exif, JPEG/JFIF e JPEG 2000, che è uno standard più recente che offre una migliore efficienza di compressione con una maggiore complessità computazionale. Lo standard JPEG è complesso, con varie parti e profili, ma lo standard JPEG più comunemente utilizzato è il JPEG di base, che è ciò a cui la maggior parte delle persone si riferisce quando menziona le immagini "JPEG".

L'algoritmo di compressione JPEG è al suo interno una tecnica di compressione basata sulla trasformata discreta del coseno (DCT). La DCT è una trasformata correlata a Fourier simile alla trasformata discreta di Fourier (DFT), ma utilizza solo funzioni coseno. La DCT viene utilizzata perché ha la proprietà di concentrare la maggior parte del segnale nella regione di frequenza inferiore dello spettro, che si correla bene con le proprietà delle immagini naturali.

Il processo di compressione JPEG prevede diversi passaggi. Inizialmente, l'immagine viene convertita dal suo spazio colore originale (solitamente RGB) a uno spazio colore diverso noto come YCbCr. Lo spazio colore YCbCr separa l'immagine in una componente di luminanza (Y), che rappresenta i livelli di luminosità, e due componenti di crominanza (Cb e Cr), che rappresentano le informazioni sul colore. Questa separazione è vantaggiosa perché l'occhio umano è più sensibile alle variazioni di luminosità rispetto al colore, consentendo una compressione più aggressiva delle componenti di crominanza senza influire in modo significativo sulla qualità dell'immagine percepita.

Dopo la conversione dello spazio colore, l'immagine viene suddivisa in blocchi, in genere di dimensioni 8x8 pixel. Ogni blocco viene quindi elaborato separatamente. Per ciascun blocco, viene applicata la DCT, che trasforma i dati del dominio spaziale in dati del dominio di frequenza. Questo passaggio è cruciale poiché rende i dati dell'immagine più adatti alla compressione, poiché le immagini naturali tendono ad avere componenti a bassa frequenza che sono più significative delle componenti ad alta frequenza.

Una volta applicata la DCT, i coefficienti risultanti vengono quantizzati. La quantizzazione è il processo di mappatura di un ampio insieme di valori di input su un insieme più piccolo, riducendo efficacemente il numero di bit necessari per archiviarli. Questa è la fonte primaria di perdita nella compressione JPEG. Il passaggio di quantizzazione è controllato da una tabella di quantizzazione, che determina quanta compressione viene applicata a ciascun coefficiente DCT. Regolando la tabella di quantizzazione, gli utenti possono bilanciare la qualità dell'immagine e le dimensioni del file.

Dopo la quantizzazione, i coefficienti vengono linearizzati mediante scansione a zig-zag, che li ordina in base alla frequenza crescente. Questo passaggio è importante perché raggruppa insieme coefficienti a bassa frequenza che hanno maggiori probabilità di essere significativi e coefficienti ad alta frequenza che hanno maggiori probabilità di essere zero o quasi zero dopo la quantizzazione. Questo ordinamento facilita il passaggio successivo, che è la codifica dell'entropia.

La codifica dell'entropia è un metodo di compressione senza perdita che viene applicato ai coefficienti DCT quantizzati. La forma più comune di codifica dell'entropia utilizzata in JPEG è la codifica Huffman, sebbene la codifica aritmetica sia anche supportata dallo standard. La codifica Huffman funziona assegnando codici più brevi a elementi più frequenti e codici più lunghi a elementi meno frequenti. Poiché le immagini naturali tendono ad avere molti coefficienti zero o quasi zero dopo la quantizzazione, specialmente nella regione ad alta frequenza, la codifica Huffman può ridurre significativamente le dimensioni dei dati compressi.

Il passaggio finale nel processo di compressione JPEG consiste nell'archiviare i dati compressi in un formato di file. Il formato più comune è il JPEG File Interchange Format (JFIF), che definisce come rappresentare i dati compressi e i metadati associati, come le tabelle di quantizzazione e le tabelle dei codici Huffman, in un file che può essere decodificato da un'ampia gamma di software. Un altro formato comune è il formato file immagine scambiabile (Exif), che viene utilizzato dalle fotocamere digitali e include metadati come le impostazioni della fotocamera e le informazioni sulla scena.

I file JPEG includono anche marcatori, che sono sequenze di codice che definiscono determinati parametri o azioni nel file. Questi marcatori possono indicare l'inizio di un'immagine, la fine di un'immagine, definire tabelle di quantizzazione, specificare tabelle di codici Huffman e altro ancora. I marcatori sono essenziali per la corretta decodifica dell'immagine JPEG, poiché forniscono le informazioni necessarie per ricostruire l'immagine dai dati compressi.

Una delle caratteristiche principali di JPEG è il suo supporto per la codifica progressiva. In JPEG progressivo, l'immagine viene codificata in più passaggi, ognuno dei quali migliora la qualità dell'immagine. Ciò consente di visualizzare una versione di bassa qualità dell'immagine mentre il file viene ancora scaricato, il che può essere particolarmente utile per le immagini web. I file JPEG progressivi sono generalmente più grandi dei file JPEG di base, ma la differenza di qualità durante il caricamento può migliorare l'esperienza dell'utente.

Nonostante il suo uso diffuso, JPEG presenta alcune limitazioni. La natura con perdita della compressione può portare ad artefatti come il blocco, in cui l'immagine può mostrare quadrati visibili, e il "ringing", in cui i bordi possono essere accompagnati da oscillazioni spurie. Questi artefatti sono più evidenti a livelli di compressione più elevati. Inoltre, JPEG non è adatto per immagini con bordi nitidi o testo ad alto contrasto, poiché l'algoritmo di compressione può sfocare i bordi e ridurre la leggibilità.

Per affrontare alcune delle limitazioni dello standard JPEG originale, è stato sviluppato JPEG 2000. JPEG 2000 offre diversi miglioramenti rispetto a JPEG di base, tra cui una migliore efficienza di compressione, il supporto per la compressione senza perdita e la capacità di gestire efficacemente una gamma più ampia di tipi di immagine. Tuttavia, JPEG 2000 non ha visto un'adozione diffusa rispetto allo standard JPEG originale, in gran parte a causa della maggiore complessità computazionale e della mancanza di supporto in alcuni software e browser web.

In conclusione, il formato immagine JPEG è un metodo complesso ma efficiente per comprimere immagini fotografiche. La sua ampia adozione è dovuta alla sua flessibilità nel bilanciare la qualità dell'immagine con le dimensioni del file, rendendolo adatto per una varietà di applicazioni, dalla grafica web alla fotografia professionale. Sebbene abbia i suoi inconvenienti, come la suscettibilità agli artefatti di compressione, la sua facilità d'uso e il supporto su un'ampia gamma di dispositivi e software lo rendono uno dei formati di immagine più popolari in uso oggi.